1 烟台大学物理与电子信息学院，山东 烟台 264005
2 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，湖北 武汉 430071
3 中国科学院西安光学精密机械研究所中国科学院光谱成像技术重点实验室，陕西 西安 710119
4 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190
针对标准泡法在远距离SO2监测定标不准确的实际问题，开展定标误差校正方法研究。首先，基于标准泡定标法原理以及大气辐射传输理论，提出消除光稀释效应影响的图像校正方法；然后，在充分分析窗片与滤光片反射以及气溶胶散射效应的基础上，对反射效应及散射特性对定标结果的影响进行量化；最后，综合上述影响因素计算得到光稀释效应校正及散射特性修正的定标曲线，并比较误差校正的标准泡定标法与DOAS定标法在反演SO2柱密度图像以及SO2排放速率之间差异。结果表明，所提出的校正方法可将标准泡法与DOAS法的定标结果差异从59%降低至7%，验证了该误差校正方法的有效性和准确度。
大气光学 SO2紫外相机 标准泡法 定标曲线 光稀释效应 误差校正 排放速率
1 烟台大学物理与电子信息学院, 山东烟台 264005
2 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
3 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西西安 710119
4 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院, 湖北武汉 430071
星载长波红外气辉成像干涉仪可实现对临近空间平流层区域大气风场信息的遥感观测。然而, 长波红外对温度更加敏感, 因此会给干涉仪引入更多的误差来源。鉴于此, 借鉴平流层风场干涉仪(StratosphericWindInterferometerforTransport, SWIFT)的设计参数, 在临边观测正演仿真的基础上, 开展了关键部件的相位热漂移研究及背景辐射的热不稳定分析, 给出了仪器温度变化引起的风场误差, 提出了通过校准泡对光程差相位的监测减小测风误差的方案。不确定度分析表明, 如果 SWIFT仪器关键部件的温度变化率控制在 10-3 K/s, Michelson干涉仪和 F-P滤光片因热漂移产生的测风误差分别为 37m/s和 20m/s。当校准泡对光程差相位的监测精度达到 10-3rad时, 热漂移引入的误差可降至 1m/s以内。该研究将为星载全天时临近空间长波红外测风干涉仪的设计及研制提供重要的理论指导。
大气风场 临近空间 Michelson干涉仪 卫星遥感 热漂移 atmosphericwind near-space Michelsoninterferometer satelliteremotesensing thermaldrift
1 烟台大学物理与电子信息学院，山东 烟台 264005
2 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，湖北 武汉 430071
3 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190
中间层顶-低热层区域是地球大气中重要的空间区域。基于剥洋葱算法及氧分子气辉光谱理论，利用迈克耳孙全球高分辨率热层成像干涉仪（MIGHTI）测量的O2-A波段气辉辐射强度图像，反演得到海拔为92~140 km的大气温度廓线。首先，根据氧分子气辉光谱理论，结合MIGHTI仪器参数，计算了其各光谱通道信号强度随温度的变化关系；然后，利用剥洋葱算法提取各光谱通道的目标层信号强度，并结合信号强度与温度的函数关系，反演得到大气温度廓线；最后，通过与SABER卫星的观测结果及NRLMSIS-00大气模型的仿真数据的对比，验证了MIGHTI温度反演的可靠性与合理性。误差分析结果表明，MIGHTI的温度探测误差随高度增加而增大，在92 km处为1 K，在140 km处为13 K。
大气光学 温度反演 气辉辐射 临边观测 剥洋葱算法 光学学报
2023, 43(12): 1201006
基于氧气A波段的临边辐射强度模拟数据对临近空间高度(60~110 km)的大气温度反演进行了研究及结果分析。 首先, 基于正演模型分别模拟了无噪声和加入噪声情况下的临边辐射强度模拟值, 基于这两种模拟数据分别进行了临近空间大气温度反演, 并对氧气A波段中的所有谱线的反演结果进行了分析, 确定了氧气A波段各谱线权函数变化规律可作为温度观测的判断依据。 温度通过影响线强和自吸收两部分来影响辐射强度, 且温度对它们的影响正好相反, 权函数就是用来表示温度对辐射强度影响大小的函数, 而反演结果的差距可从其权函数中得到规律。 在无噪声情况下, 当温度对自吸收的影响小于对线强的影响时, 权函数未发生正负翻转, 温度反演精度较高, 平均反演偏差为4.1 K; 当温度对自吸收的影响大于对线强的影响时(主要位于60~80 km高度), 权函数发生正负翻转, 原因是自吸收降低了辐射强度对温度的灵敏度, 此时温度的反演精度较差, 平均反演偏差达到34.9 K。 此外, 在有噪声的情况下, 强线比弱线的抗干扰能力更强, 反演精度更高, 在实际观测中也更适合用于温度的反演, 所以线强的强弱也是谱线选择的另一个重要的依据。 基于辐射弱线, 进一步通过人为提高信噪比来分析辐射强度对反演精度的影响, 结果表明: 辐射越强, 信噪比越大, 温度的反演精度越高, 反之则越低。 当气辉谱线线强达到10-26时, 也可以用于80 km以上的温度反演并获得较好的反演结果, 反演精度<5 K。
氧气A带 温度反演 临近空间 Oxygen A-band Temperature retrieval Near space
1 武汉科技大学 城市学院, 湖北 武汉 430083
2 中国科学院 武汉物理与数学研究所, 湖北 武汉 430071
3 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
4 中国科学院 国家空间科学中心, 北京 100190
临近空间(20~100 km)风温探测对于大气物理和空间科学的发展具有重要的学术意义和应用价值。以1.27 μm附近的O2(a1Δg)气辉为辐射源, 采用广角迈克尔逊干涉仪进行临边观测, 能够实现平流层、中间层及低热层区域(40~80 km)大气风场和温度场的同时探测。本文设计了临近空间风温遥感干涉仪, 并对该仪器进行了仪器建模及正演仿真。根据气辉临边辐射光谱特性及谱线选取的原则, 提出了采用两组强度不同的谱线进行风温遥感, 弱线用于低空探测, 以避免自吸收效应对测量结果的影响; 强线用于高空探测, 以期实现高的测量精度。建立了由大气辐射传输模块, 迈克尔逊干涉仪模块, 滤波器模块, 以及光学系统、传感器阵列、红外焦平面等设备的系统参数组成的正演模型。通过正演模型获得了临边观测图像, 并对风速及温度的测量不确定度进行了计算。数值模拟结果表明, 在40~80 km的高度内, 风测量精度为1~3 m/s, 温度测量精度为1~3 K, 满足临近空间风温探测精度的要求。
卫星遥感 临近空间 风温探测 Michelson干涉仪 satellite remote sensing near-space wind and temperature sensing Michelson interferometer
1 武汉科技大学 城市学院, 湖北 武汉 430083
2 中国科学院武汉物理与数学研究所, 湖北 武汉 430071
3 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
4 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
星载气辉成像干涉仪采用临边观测模式, 可以获取全球范围内大气风场的空间分布信息及时间演化信息, 是国际卫星遥感领域的研究热点。基于O3辐射源的Michelson星载成像干涉仪在红外波段工作, 能够全天时探测平流层区域的大气风场, 却存在更为复杂的测风不确定度。鉴于此, 在临边观测正演仿真的基础上, 开展了仪器热背景辐射研究及测量噪声分析, 给出了大气信号测量噪声及仪器热背景噪声引起的大气风场速度误差数值, 并通过表观量仿真及信噪比分析, 得到了视向风的误差廓线。不确定度分析表明, 基于O3辐射源的Michelson成像干涉仪在星载条件下可全天时探测15~45 km范围内的大气风场, 反演精度优于1~2 m/s。该研究为基于红外辐射源的大气风场测量提供了重要的理论指导。同时对红外Michelson成像干涉仪的研制具有重大的工程意义和实践价值。
大气风场 Michelson干涉仪 噪声 误差 atmospheric wind Michelson interferometer noise errors 红外与激光工程
2019, 48(8): 0813001
1 武汉科技大学城市学院, 湖北 武汉 430083
2 中国科学院武汉物理与数学研究所, 湖北 武汉 430071
3 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
4 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
以O3在8.823 μm波段的辐射为探测源,通过干涉仪获取其精细光谱的多普勒频移反演,是平流层风场探测的重要途径。鉴于此,通过对O3临边辐射光谱特性进行分析,确定了最佳的目标谱线;利用三级红外Fabry-Perot标准具联合滤光,实现了目标谱线的提取;通过建立Michelson干涉仪数值模型,得到了临边观测情况下白天及夜间工作时的四步进干涉图像;通过误差分析,论证了15~45 km范围内,白天及晚上的视向风测量误差均在1~2 m/s范围内。因此,以O3辐射为探测源的Michelson干涉仪可以实现平流层风场的全球全天时探测。
测量 光谱成像 大气风场 卫星遥感 Michelson干涉仪
1 武汉科技大学城市学院, 湖北 武汉 430083
2 中国科学院武汉物理与数学研究所, 湖北 武汉 430071
3 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
4 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
5 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
全球大气风场温度场探测具有重要的学术意义及广泛的应用前景。O2分子的红外大气带([a1Δg←X3Σg])在1.27 μm波段的气辉具有相对较强的辐射以及相对较弱的自吸收, 是实现较低空域的大气风场和温度场探测的最佳目标源之一。通过O2临边辐射光谱特性分析确定了两组共6条最佳目标谱线, 论证了这些谱线对风温探测的空间覆盖能力, 探讨了谱线的分离选取技术方案, 并借鉴MIMI仪器设计参数, 采用Michelson干涉仪进行了正演数值仿真, 得到临边观测图像。数值模型结果分析表明, 以O2 1.27 μm波段的气辉辐射为探测源的Michelson干涉成像仪可以实现45~90 km的大气风场及温度场探测。
风温探测 干涉仪 星载 气辉 临边观测 wind and temperature observation interferometer onboard air glow limb-viewing
1 中国科学院国家空间科学中心 空间环境探测研究室, 北京 100190
2 中国科学院大学 天文与空间科学学院, 北京 100049
3 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室, 北京 100190
4 天基空间环境探测北京重点实验室, 北京 １００１９０
高光谱成像探测仪在轨波长漂移和性能衰变是有效载荷在轨长期工作必须解决的问题。利用太阳辐射光谱和大气后向散射辐射光谱中特有的Fraunhofer吸收线可作为星上波长定标的基准。针对波长定标精度需求, 优选出高精度的太阳参考光谱, 用仪器狭缝函数卷积后初选出87条Fraunhofer吸收线, 并分析了由Fraunhofer吸收线分布非均匀性引起的系统误差, 以及由仪器探测能力不同而产生的随机误差。综合最大偏差和RMS, 确定了在满足定标精度优于0.01 nm的条件下, 可用的76条太阳Fraunhofer线的精确位置。该研究为高光谱成像探测载荷在轨高精度波长定标奠定了基础。
波长漂移 波长定标 太阳参考光谱 太阳Fraunhofer线 高光谱成像 wavelength shift wavelength calibration solar reference spectrum solar Fraunhofer lines hyper-spectral imaging 红外与激光工程
2019, 48(3): 0303006
张卓 1,2,3,4,5王维和 6王后茂 1,3,4,5王咏梅 1,3,4,5,7
1 中国科学院 国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 国家空间科学中心 空间环境探测研究室, 北京100190
4 天基空间环境探测北京市重点实验室, 北京 100190
5 中国科学院 空间环境态势感知技术重点实验室, 北京 100190
6 国家气象局 卫星气象中心, 北京 100081
7 中国科学院大学 天文与空间科学学院, 北京 100049
风云三号气象卫星C星(FY-3C)搭载的紫外臭氧总量探测仪因太阳辐照度观测值异常而无法进行常规在轨星上定标, 导致臭氧总量产品无法正常生成。在研究了风云三号气象卫星B星(FY-3B)TOU辐照度观测数据的特点以及仪器衰减规律后, 结合FY-3C/TOU辐照度和辐亮度实测数据, 探索了基于晴空海洋像元观测值计算仪器的衰减系数法。本文选取受陆地气溶胶影响较小的热带太平洋海区, 用矢量辐射传输模式模拟云量较小的像元对应的晴空辐亮度, 比较观测值与模拟计算值, 通过统计筛选晴空像元, 估算FY-3C/TOU探测器随时间的衰减系数。在确定仪器衰减系数后对FY-3C/TOU历史数据进行处理, 反演获得了全球臭氧总量并与WMO/WOUDC地基观测数据进行对比。结果表明, 基于晴空辐亮度估算的仪器衰减系数进行的臭氧总量反演的均方根误差在5%以内。在星载紫外探测器星上辐射定标失败的时候, 可以利用晴空海洋像元确定仪器的定标系数。
在轨定标 紫外遥感 臭氧总量 风云三号 紫外臭氧总量探测仪 真实性检验 on-board calibration Ultra-violet(UV) remote sensing total ozone amount FY-3 Total Ozone Unit(TOU) validation
